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Brunner, Philip
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Brunner, Philip
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philip.brunner@unine.ch
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- PublicationAccès libreTowards unprecedented spatiotemporal observations in hydrological systems using Uncrewed Vehicles(2023)
; L'amélioration de la gestion des ressources en eau a été un grand défi et l'utilisation appropriée de l'eau est d'une grande importance pour les écosystèmes et la population humaine dans le monde entier. Le changement climatique affecte le cycle de l'eau et donc l'utilisation de l'eau et les activités humaines dans le monde entier. Il est donc de plus en plus nécessaire de mieux surveiller les ressources en eau et de comprendre les processus hydrogéologiques qui se déroulent dans les systèmes hydrologiques et hydrogéologiques. La technologie de la télédétection a été intensivement utilisée pour surveiller les masses d'eau, mais jusqu'à présent principalement par le biais de satellites et d'avions pilotés. Cependant, des limites subsistent en termes de résolution des données et de manque de données in situ dans les zones isolées et difficilement accessibles. Il est donc nécessaire de disposer de technologies plus avancées permettant d'observer l'eau à des échelles spatiales et temporelles plus fines. Dans ce contexte, les drones, avec leur technologie autonome innovante et leurs résolutions spatio-temporelles élevées, ouvrent une nouvelle ère dans l'étude des systèmes hydrogéologiques. Les véhicules aériens sans pilote (UAV) ont été utilisés dans les études hydrogéologiques en raison de leur souplesse opérationnelle, notamment leur capacité à voler à basse altitude, dans des environnements difficiles et à tout moment, à faible coût. Cette souplesse permet de surmonter les faibles résolutions spatiales et temporelles des données satellitaires et les coûts élevés de l'acquisition de données par des avions pilotés. Outre les drones, les véhicules de surface sans pilote (USV) ont également été utilisés pour l'étude des océans en raison de leur autonomie et de leur navigation à longue distance. Leurs fréquences d'échantillonnage élevées et leur capacité à échantillonner directement la surface de l'océan et pas seulement quelques mètres en dessous, les rendent plus favorables que les plateformes de mesure in situ traditionnelles telles que les bouéesou d'autres bateaux habités. L'objectif de cette thèse de doctorat est d'améliorer la compréhension des processus hydrogéologiques en utilisant cette technologie innovante des véhicules sans pilote. En combinant diverses plateformes et données de télédétection, nous avons produit de nouveaux ensembles de données pour la communauté scientifique avec des résolutions spatio-temporelles sans précédent. Nos études, qui utilisent ces données transportées par des véhicules sans pilote avec des résolutions spatio-temporelles sans précédent, prouvent l'efficacité et le potentiel de la technologie des véhicules sans pilote. Nous menons quatre études différentes liées à différents processus hydrogéologiques dans différents environnements. La première étude est une contribution technique aux techniques de cartographie de la neige à l'aide de la technologie LiDAR embarquée sur drone. La deuxième étude, qui est la toute première étude menée sur un terrain forestier escarpé à l'aide d'un LiDAR embarqué sur un drone, démontre l'effet de la structure de la canopée et du rayonnement solaire sur la formation de motifs de neige dans les pentes forestières escarpées. Nous avons également obtenu des contributions techniques précieuses pour des campagnes similaires à venir. La troisième étude porte sur la dynamique de la température de surface de la mer sur la côte californienne et prouve que Saildrone, un bateau de surface sans équipage, est capable de valider les produits satellitaires grâce à sa fréquence d'échantillonnage d'une minute. Il s'agit de la première étude comparant les produits satellitaires MODIS niveau 2 et MUR (Multi-scale Ultrahigh Resolution) niveau 4 sur la côte californienne et de la première étude évaluant la précision des niveaux de qualité MODIS niveau 2 sur la côte californienne. La dernière étude vise à cartographier la matière organique de la couche arable à haute résolution en exploitant les propriétés spectrales du sol ainsi que les analyses traditionnelles en laboratoire. ABSTRACT The improvement of water resources management has been a big challenge and the appropriate use of water is of high importance for the ecosystems and the human population globally. Climate change affects the water cycle and therefore water use and human activities around the world. There is therefore an increased need for better monitoring of the water resources and the understanding of the hydrogeological processes that take place in hydrological and hydrogeological systems. Remote sensing technology has been intensively used to monitor water bodies, but so far mainly via satellites and crewed aircraft. However, there are still limitations in terms of data resolution and lack of in situ data in isolated and difficultly accessible areas. Therefore, there is a need for more advanced technologies that can observe the water at finer spatial and temporal scales. In this context, uncrewed vehicles with their innovative autonomous technology and their high spatiotemporal resolutions open a new era in the study of hydrogeological systems. Uncrewed aerial vehicles (UAVs) have been used in hydrogeological studies due to their operational flexibilities such as their ability to fly at low altitudes, in challenging environments, and whenever the user needs them at low costs. These flexibilities overcome the low spatial and temporal resolutions of the satellite data and the high costs of crewed aircraft data acquisitions. Besides the UAVs, uncrewed surface vehicles (USVs) have also been used in ocean studies due to their autonomous and long-range navigation. Their high sampling frequencies and their ability to directly sample the ocean surface and not just a few meters underneath, make them more favorable than traditional in situ measurement platforms such as buoys or other crewed boats. The aim of this Ph.D. thesis is to improve the understanding of hydrogeological processes using this innovative technology of uncrewed vehicles. By combining various remote sensing platforms and data, we produced new datasets for the scientific community with unprecedented spatiotemporal resolutions. Our studies, using these uncrewed vehicle-borne data with their unprecedented spatiotemporal resolutions, prove the efficiency and potential of the uncrewed vehicle technology. We pursue four different studies related to different hydrogeological processes in different environments. The first study is a technical contribution to snow mapping techniques using UAVborne LiDAR technology. The second study, which is the first-ever study conducted in steep forested terrain using UAV-borne LiDAR demonstrates the effect of canopy structure and solar radiation in the formation of snow patterns within the steep forested slopes. We also extract valuable technical contributions for similar future campaigns. The third study focuses on sea surface temperature dynamics on the California Coast and proves that Saildrone, an uncrewed surface boat, is capable of validating satellite products with its one-minute sampling frequency. It is the first study to compare MODIS level-2 with Multi-scale Ultra-high Resolution (MUR) level-4 satellite products over the California Coast and the first one to assess the accuracy of MODIS level-2 quality levels over the California Coast. The last study aims at mapping topsoil organic matter at high resolution by exploiting the soil spectral properties along with traditional laboratory analysis. - PublicationAccès libreContributions to the hydrology and hydrogeology of the Nubian Sandstone Aquifer of Northern ChadCette thèse étudie la géologie, la météorologie, l’hydrologie et la géochimie des eaux souterraines de l’Aquifère des Grès de Nubie (NSAS) du Nord du Tchad, avec l’objectif de développer un modèle conceptuel de l’organisation des écoulements souterrains. L’Aquifère des Grès de Nubie est l’un des plus grands aquifères au monde, partagé entre la Libye, l’Egypte, le Soudan et le Tchad. La région se caractérise par son aridité, par conséquence l’eau souterraine est une ressource précieuse pour ces pays. Le secteur tchadien de l’Aquifère des Grès de Nubie est l’une des zones les moins connues du système. Les majeurs défis de ce projet ont été la difficulté d’accès à la zone d’investigation, ainsi que le manque de données de surveillance sur les eaux souterraines et la météorologie. Pourtant, la région du Nord du Tchad, correspondant à la marge sud du bassin de Kufra, l’un des principaux sous bassin du NSAS, est caractérisée par des taux de précipitation plus importantes. La recharge s’opérant dans cette région pourrait également avoir des implications sur le système aquifère régional, comme déjà suggéré par d’autres chercheurs. Des campagnes de terrain ont été entreprises entre 2013 et 2016, couvrant une superficie approximative de 100,000 km2. Les objectifs de ces campagnes de terrain étaient d’acquérir des données sur la géologie et la sédimentologie du réservoir, sur l’organisation des écoulements souterrains et sur l’hydrochimie (ions majeurs, isotopes stables) des eaux souterraines. Pour palier au manque de données climatiques, la dynamique météorologique et hydrologique a été investiguée en utilisant des données satellitaires (RFE2.0, LandSat8OLI). La composition hydrochimique des eaux souterraines ainsi que les résultats de l’analyse d’images satellitaires (précipitation, évapotranspiration) indiquent que les montagnes de l’Ennedi et du Tibesti correspondent à des zones à fort potentiel de recharge diffuse et concentrée. La recharge s’opère potentiellement annuellement, au courant de quelques averses concentrées durant la saison pluvieuse (mi-juillet à mi-septembre). Au de-là des zones de recharge, une large dépression s’étend entre ces zones montagneuses. Cette dépression est explicitement reconnue comme étant une entité structurelle majeure marquant les directions de la phase tectonique de l’Hercynien. Les principales zones de décharge du NSAS du Nord du Tchad se trouvent le long de cette dépression. La composition hydrochimique des eaux souterraines dans ces zones de décharge est comparable à la composition des eaux souterraines dans d’autres zones de décharge du NSAS. Le schéma conceptuel qui résulte des mesures de terrain de charges hydrauliques est similaire au schéma développé par les chercheurs il y a quatre-vingt années. L’organisation des écoulements souterrains et la composition isotopique indiquent que les zones de décharge (Lacs d’Ounianga, FayaLargeau) sont approvisionnées par un écoulement en provenance de zones ou la recharge s’est principalement opérée durant les époques pluviales passées de la fin du Pléistocène à l’Holocène moyen. Enfin, cette étude démontre le rôle crucial qui jouent les ouadis dans la redistribution d’eau de surface pour les régions montagneuses du Nord du Tchad. Grâce à l’imagerie satellitaire, cette étudie identifie les ouadis les plus actifs de l’Ennedi, ou il y a un fort potentiel de recharge concentrée. Cette ressource renouvelable pourrait être mieux gérée est ainsi garantir un meilleur accès à l’eau pour les populations locales.
- PublicationAccès libreEcosystem engineers’ contribution to soil structure formation in floodplains(2019)
- PublicationAccès libreShort-wave infrared hyperspectral imaging of mineralsL'imagerie hyperspectrale est une technique prometteuse pour l'identification et la cartographie de minéraux. Elle est largement employée en télédétection, au moyen de capteurs aéroportés, mais est relativement peu utilisée en laboratoire. De fait, un ensemble de problèmes limite la qualité des données obtenues, et par conséquent celle des conclusions en découlant. L'identification de minéraux nécessite deux étapes: 1. acquisition des données et calibration, 2. classification, en utilisant une librairie spectrale en tant que données de références. Cette thèse présente une analyse de l'entier de ce processus et propose des améliorations.
La caméra a été soigneusement étudiée afin de comprendre son principe de fonctionnement. Les différents aspects de l'acquisition ont été soigneusement évalués, notamment le choix du type de source de lumière, la disposition des différents éléments lors de l'acquisition de données, ainsi que l'impact des éléments environnants. Des algorithmes ont été conçus afin d'améliorer l'efficacité de l'acquisition de données, notamment pour automatiser le focus ou pour éviter les difficultés à choisir l'exposition correcte. Des méthodes combinant plusieurs images afin d'améliorer la qualité ont aussi été développées: de l'imagerie à grande gamme dynamique (HDR) a été implémentée afin de combiner plusieurs images capturées avec des temps d'intégration différents, et une méthode a été développée pour séparer la transmittance et la réflectance d'objets translucides.
L'efficacité des réseaux de neurones artificiels a été évaluée pour la classification: ceux-ci produisent des résultats très précis, mais requièrent un spectre complet. Cette exigence nécessite l'interpolation de pixels défectueux et empêche la réutilisation d'un réseau déjà entraîné avec une autre caméra. Ainsi, une nouvelle couche d'entrée (input layer) a été conçue, laquelle gère de façon efficace des spectres dont certaines bandes manquent. Comme il n'existait pas de données d'entraînement à l'identification de minéraux d'un tel réseau de neurones, une librairie spectrale d'images de réflectance a été créée. Celle-ci contient 130 échantillons de 76 minéraux distincts. Une telle librairie est, à notre connaissance, unique.
Finalement, des outils logiciels et matériels ont été développés afin d'effectuer toutes ces opérations de façon efficace, et d'automatiser tous les équipements concernés. Ces outils ont été publiés sous licence Open Source.
Abstract
Hyperspectral imaging is a promising technology for mineral identification and mapping. This technology is commonly used for remote sensing, using aerial sensors. It is however less frequently used for laboratory measurement, as a range of issues currently undermine the quality of the data obtained, and consequently the resulting conclusions. Mineral identification consists in two steps: 1. data acquisition and calibration, 2. classification, using a spectral library as reference data. This thesis presents an analysis of this whole process and proposes improvements.
The camera was carefully studied in order to understand exactly its operating principles. Each aspect of the scene set-up, such as the type of light source, the positioning of the various elements of the set-up and the impact of surrounding objects was carefully evaluated. Algorithms were designed to improve the efficiency of the acquisition, such as automate focus or to avoid difficulties in choosing the correct exposition. Methods to combine multiple images in order to increase the data quality were also developed: high dynamic range was implemented to merge multiple images captured with different integration time, and a method was developed to separate the transmittance and the reflectance of translucent objects.
The efficiency of artificial neural networks was evaluated for classification. It was found that they were producing highly accurate results, but required complete spectra as input, which requires interpolation of bad pixels and prevents the re-use of an already trained network with a different camera. Therefore a novel input layer was designed which handles efficiently spectra with missing bands. As no training data was readily available for training an artificial neural network for mineral identification, a spectral library of 2D reflectance images of 130 samples of 76 distinct minerals was created. To the best of our knowledge, no similar dataset exists.
Finally, hardware and software tools were designed and implemented to carry out all these steps and to allow efficient automation of all the devices involved. These tools have been published under Open Source licenses. - PublicationAccès libreHydrogeological and topographical controls on catchment dynamics and their implications for low flows(2018)
; Même dans des régions relativement humides comme la Suisse, des périodes de sécheresses plus intenses et prolongées sont attendues à cause des changements climatiques. Afin d’appréhender la sensibilité des ressources en eaux aux sécheresses et d’identifier les régions à risque, une compréhension profonde des mécanismes gouvernant la dynamique des bassins versant en l’absence de précipitation est cruciale. Pendant les périodes de sécheresses, les rivières sont principalement alimentées par l’eau souterraine. Leur débit reflète donc la capacité du bassin versant à libérer de l’eau stockée lors de précédents événements pluvieux. Les caractéristiques des bassins versants qui influencent les processus hydrogéologiques sont ainsi inhérentes à leur dynamique de basses eaux. La sensibilité des bassins versants doit donc être évaluée d’une perspective hydrogéologique.
Afin de développer des outils pour l’identification des ressources en eaux sensibles aux sécheresses, cette thèse de doctorat explore les influences des propriétés physiographiques sur la dynamique des bassins versants, en mettant l’accent sur leur comportement de basses eaux et sur le rôle de l’hydrogéologie. Les précédentes études consacrées au lien entre les propriétés physiques des bassins versant et leur dynamique négligent souvent leurs caractéristiques souterraines. De plus, l’identification des effets de chaque propriété physique sur le comportement hydrologique des bassins reste complexe. Afin de contrer ces limites, deux approches sont développées : (1) l’utilisation de modèles hydrogéologiques synthétiques permettant d’évaluer systématiquement l’influence des paramètres hydrogéologiques et topographiques sur les basses eaux, et (2) l’étude de la dynamique hydrologique de 22 bassins versants suisses avec la prise en considération détaillée de leurs caractéristiques géologiques et hydrogéologiques (roche en place ou cohérente – “bedrock” en anglais -- et dépôts quaternaires).
Dans le cadre de la première approche, les propriétés hydrogéologiques et topographiques des bassins (conductivité hydraulique de la roche en place et de l'aquifère alluvial, pente des versants et de la rivière) sont variées systématiquement avec HydroGeoSphere. Ce modèle numérique et distribué simule de manière couplée et simultanée les flux souterrains et de surface. Ainsi, les processus hydrogéologiques sont considérés explicitement et l’impact de chaque propriété physique sur la dynamique des bassins versants peut être quantifié. Ces modèles synthétiques bénéficient grandement à la caractérisation: du lien entre dynamiques de basses eaux et de l’eau souterraine, de l’importance relative de la roche en place et des dépôts alluviaux, et de l’influence combinée de la conductivité hydraulique et de la topographie. En outre, le rôle de propriétés difficilement mesurables sur le terrain, comme la perméabilité de la roche en place (p.ex. la Molasse en Suisse), peut être étudié. Cette caractéristique est d’ailleurs la seule à exercer un effet global sur les basses eaux de tous les bassins synthétiques. Une conductivité relativement haute (p.ex. 10-4 to 10-5 m/s) de la roche en place garantit des débits de basses eaux importants. En fonction de cette valeur, la contribution de la roche en place aux basses eaux peut être favorisée par des versants raides ou diminuée par un relief limité. Lorsque la capacité de la roche en place à subvenir aux bas débits est limitée (quantifiée par le bedrock productivity index BPI), la contribution relative de l’aquifère alluvial peut devenir significative.
Dans la seconde approche, les propriétés physiques des 22 bassins versants suisses sélectionnés (utilisation et types de sol, topographie, géologie et paramètres météorologiques) sont comparées à une multitude d’indicateurs hydrologiques décrivant toutes les gammes de débits sur 20 ans de mesure. Des indicateurs de débits absolus (p.ex. Q95 à Q5) ainsi que des indicateurs relatifs (p.ex. Q95 divisé par le débit moyen) sont utilisés. La normalisation des indicateurs de débit permet de filtrer l'effet des précipitations et donc de se concentrer sur l'influence des propriétés physiques du bassin sur sa dynamique. Ainsi, les effets de la précipitation et des paramètres physiques sur le comportement hydrologique deviennent distinguables. Les indicateurs absolus de débit, à part les bas débits, dépendent principalement de la météorologie. Les indicateurs relatifs, décrivant tout autant les bas que les hauts débits relatifs, sont en revanche uniquement corrélés aux paramètres géologiques et hydrogéologiques des bassins (% de grès, % de dépôts quaternaires productifs). La capacité d’un bassin versant d’”amortir” le signal de la précipitation peut donc être attribuée à ses caractéristiques géologiques et hydrogéologiques. Les résultats suggèrent que ce potentiel de “stabilisation” des débits, quantifié par exemple par le ratio Q95/Qmean, est favorisé par la présence de grès dans le bassin. De plus, des dépôts quaternaires importants semblent également exercer un effet positif sur les bas débits normalisés.
Les deux approches sont complémentaires et permettent d’identifier des processus similaires, cruciaux pour la caractérisation de la dynamique générale et de basses eaux des bassins versants. Selon les deux lignes de recherche, une roche en place relativement perméable (p.ex. 10-5 m/s, du grès) est un prérequis pour des débits soutenus lors de périodes sèches. L’influence de dépôts productifs locaux sur la dynamique des bassins est soulignée par les deux approches. Sur la base de ces résultats, deux aides à l’évaluation de la sensibilité des rivières et des aquifères alluviaux aux sécheresses sont développées. Les méthodes dépendent du type et de la qualité des données disponibles. Si celles-ci sont suffisantes, l’estimation de la sensibilité peut être quantitative, alors qu’elle a une valeur qualitative si les données de débits ou de hauteurs piézométriques sont rares. Dans le second cas, des stratégies de surveillance des ressources en eaux peuvent notamment être établies sur la base des lignes directives proposées. En outre, celles-ci proposent un cadre de comparaison du comportement des bassins versants en période sèche., Periods with scarce precipitation will likely occur more frequently and last longer under changing climatic conditions, even in relatively humid regions like Switzerland. To assess the sensitivity of water resources to dry spells and to identify regions that might experience water scarcity issues, a thorough understanding of the mechanisms governing catchment dynamics in the absence of rain is essential. During dry periods, streamflow is mainly fed by groundwater reservoirs and thus reflects the ability of the catchment to release water that has been previously stored during precipitation events. Catchment characteristics that govern groundwater processes are consequently inherent to low-flow dynamics. The sensitivity of catchments to dry periods thus has to be assessed from a hydrogeological perspective.
This PhD thesis, with the global aim of providing tools for the identification of catchments sensitive to dry conditions, explores the physiographic controls on catchment dynamics with emphasis on low flows and on the role of hydrogeological factors. Previous studies dedicated to the relationship between catchment properties and streamflow dynamics often disregard the subsurface characteristics. Moreover, unravelling the various physical controls on hydrological signatures is complex based on observed data. To cope with these limitations, two approaches are developed: (1) the use of hydrogeological synthetic models, which allow the systematic assessment of topographical and hydrogeological influence on low flows and groundwater storage, and (2) an investigation of streamflow dynamics of 22 Swiss catchments with the consideration of detailed geological and hydrogeological descriptors of both the general geological environment (bedrock lithologies) and alluvial quaternary aquifers.
In the first approach, catchment hydrogeological and topographical features (bedrock and alluvial hydraulic conductivity, hillslope and river slope) are systematically varied using the numerical model HydroGeoSphere. This software simulates surface and subsurface flow in a fully coupled, distributed way. It thus allows the explicit consideration of groundwater processes and the quantification of the impact of each physical property on catchment dynamics. The synthetic models provide great insights on the relationship between low flows and groundwater processes, on the relative importance of the bedrock and the alluvial aquifer, and on the combined impact of hydraulic conductivity and slope gradients. Moreover, the role of catchment properties whose observation in the field is bound to high uncertainties, such as the hydraulic conductivity of the bedrock, can be explored with the synthetic models. The only catchment property exerting an overall impact on low flows is indeed the hydraulic conductivity of the bedrock. Relatively high hydraulic conductivities (e.g. 10-4 to 10-5 m/s) of the bedrock guarantee sustained low flows. Depending on this value, the contribution of the bedrock to low flows can be increased respectively diminished by steep respectively flat hillslopes. When the capacity of the bedrock to sustain the stream (quantified by the proposed bedrock productivity index BPI) is limited, the relative contribution of the alluvial aquifer can become significant.
In the second approach, the catchment properties of the 22 selected catchments, encompassing land use, soil, topography and geology, as well as precipitation characteristics, are compared to numerous streamflow indicators describing the entire range of dynamics over 20 years. Absolute (e.g. Q95 to Q5) as well as relative indicators (e.g. Q95 divided by mean discharge) are used. The normalisation of the discharge indicators filters the influence of precipitation, which allows focusing on the impact of catchment properties on discharge dynamics. The meteorological and the catchment controls on hydrological signatures thus become distinguishable. The impact of precipitation is consequent on the absolute discharge indicators except for the low-flow range. The relative indicators, which describe both high and low normalised discharges, are however only correlated to the geological properties of the catchments (% of sandstone and % of productive quaternary deposits). The ability of the catchment to “buffer” the precipitation signal can thus be attributed to its geological and hydrogeological characteristics. The results suggest that this “stabilisation” effect on streamflow, quantified for instance by Q95/Qmean, is sustained by the presence of sandstone in the catchment. Moreover, productive quaternary deposits with a large extent or volume also seem to have a favourable effect on normalised low flows.
The two approaches are complementary and enable to identify similar processes and governing mechanisms, which are of high relevance for the characterisation of catchment and of low-flow dynamics. According to both approaches, a relatively permeable bedrock (e.g. 10-5 m/s, sandstone) is a prerequisite for sustained streamflow during dry periods. The influence of local productive deposits on catchment dynamics is also highlighted by both methods. Based on these findings, two guidelines are developed to assess the sensitivity of rivers and alluvial aquifers to dry periods. The assessment can be quantitative if adequate time series and data describing the resource exist, whereas it has a qualitative value if scarce discharge or groundwater head data are available. In the latter case, monitoring strategies can for instance be established on the basis of this guideline. Furthermore, it provides a framework for catchment inter-comparison with regards to their behaviour under dry conditions. - PublicationAccès libreNumerical simulations and uncertainty analysis for assessing spatial and temporal dynamics in alluvial river-aquifer systems: an application in the context of the 3rd Rhône River Correction(2017)
; La caractérisation de l’interaction entre les rivières et les eaux souterraines pour des aquifères alluviaux est essentielle afin d’anticiper l’impact des stratégies de gestion de rivière, comme le sont les restaurations de rivières, sur l’ensemble de la ressource en eau et sur sa dynamique. De ce fait, le développement de méthodes et d’approches de calibration permettant une meilleure caractérisation et estimation des paramètres hydrauliques des aquifères et des lits de rivière est nécessaire. De plus, l’analyse d’hypothèses communes, telles que la constance des propriétés hydrauliques des lits de rivière, l’isotropie de la conductivité hydraulique de l’aquifère ou encore la calibration en régime permanent, est indispensable afin d’identifier des biais potentiels dans les prévisions et leurs incertitudes.
Le chapitre 1 introduit les concepts pertinents, les méthodes, le cadre de recherche, c.-à-d. la 3e Correction du Rhône, ainsi que le but de la thèse doctorale.
Le chapitre 2 présente une méthode qui permet d’évaluer le caractère transitoire des propriétés hydrauliques de lits de rivière. La méthode est basée sur l’inversion d’une convolution numérique entre les variations de niveau de la rivière et la réponse unitaire, en terme de variation de la surface piézométrique, de l’aquifère. L’estimation du caractère transitoire des propriétés hydrauliques du lit de la rivière est obtenue par des calibrations utilisant des séries temporelles successives de charges hydrauliques. Une analyse synthétique a démontré la fiabilité de la méthode et son application à des données réelles de terrain a permis d’indiquer l’influence d’événements climatiques sur le caractère transitoire des propriétés hydrauliques.
Le chapitre 3 analyse les conséquences sur l’estimation de l’incertitude de la prévision de l’hypothèse communément faite sur l’isotropie de la conductivité hydraulique de l’aquifère. Il est démontré que les présupposés sur l’isotropie de l’aquifère peuvent causer une sous-estimation de l’incertitude des prévisions sur l’élévation de la surface piézométrique. De plus, il est démontré que la calibration transitoire, en comparaison à celle en régime permanent, permet une meilleure estimation des paramètres hydrauliques de l’aquifère et du lit de la rivière et ainsi de réduire l’incertitude de la prévision.
Le chapitre 4 présente les prévisions sur l’élévation de la surface piézométrique et leurs incertitudes dans la région de Sion (Suisse) dans le cadre des modifications projetées par la 3e Correction du Rhône. Ce faisant, l’incertitude de la prévision liée à la calibration du modèle numérique hydrogéologique est complétée par la prise en compte, via la modélisation de scénarios, de l’incertitude sur les futures propriétés hydrauliques et géomorphologiques du lit du Rhône. Les résultats montrent que bien que le processus de calibration réduit de manière importante l’incertitude de la prévision, l’incertitude sur l’élévation future de la surface piézométrique, liée au potentielles variations des propriétés hydrauliques du lit du Rhône reste importante.
Le chapitre 5 résume les résultats des études présentées, fournis des recommandations quant aux approches de modélisations hydrogéologiques d’une manière générale et dans le cadre de la 3e Correction du Rhône., Characterizing river-groundwater interactions in alluvial aquifers is essential when forecasting the impact of river management strategies, such as river restorations, on the overall water resources distribution and dynamics. Therefore, the development of methods and calibration approaches that allow for better identification of the spatial and temporal characteristics of the hydraulic properties of the aquifer and the riverbed are required. Moreover, the analysis of commonly made assumptions, such as constant hydraulic properties of the streambed, isotropy of the aquifer hydraulic conductivity and steady-state calibration, is important in order to identify potential biases in predictions and related uncertainties.
Chapter 1 introduces the relevant concepts and methods as well as the framework, i.e. the 3rd Rhône River Correction, and the purpose of the Ph.D. thesis.
Chapter 2 presents a method that assesses the temporal variations of the hydraulic properties of the riverbed. The method is based on the inversion of a numerical convolution between an aquifer unit step response and stream stage variations. Calibrations against successive time series of observed water table variations allow to estimate the transience in the riverbed properties. A synthetic analysis demonstrated the robustness of the method and its application to field data pointed out the influence of climatic events on the transience in riverbed hydraulic properties.
Chapter 3 aims at understanding how simplifications in modeling practice regarding horizontal isotropy of the aquifer hydraulic conductivity affect the estimated uncertainty of predictions. It is demonstrated that assuming isotropy or fixed anisotropy may cause the predictive uncertainty of the water table elevation to be underestimated. Then, by taking into account the uncertainty in aquifer anisotropy, it is shown that calibration against transient data allows to achieve a better estimation of the aquifer and riverbed hydraulic parameters and to reduce the predictive uncertainty of water table elevations.
Chapter 4 presents the model forecasting and related uncertainty of the water table elevation in the area of Sion (Switzerland) in the framework of the modifications projected by the 3rd Rhône River Correction. Furthermore, the predictive uncertainty related to model calibration is complemented by scenario modeling taking into account the uncertainties in the future state of the Rhône riverbed hydraulic properties and geomorphologies. The results show that although the calibration process can significantly reduce the predictive uncertainty, the uncertainty in the future elevation of the water table, related to potential variations in the hydraulic properties of the Rhône riverbed, remains important.
Chapter 5 summarizes the results of the studies and provides recommendations and perspectives regarding hydrogeological modeling approaches in general and in the framework of 3rd Rhône River Correction. - PublicationAccès libreAdvances in characterizing surface water-groundwater interactions : combining unconventional data with complex, fully-integrated models(2017)
; Caractériser et simuler les interactions entre les eaux de surface et souterraines s’avère être un enjeu de plus en plus important afin de garantir une eau de qualité pour des puits de pompage situés à proximité d’une rivière. Grâce à la dernière génération de modèles numériques physiques intégrant les écoulements de surface et souterrains, il est maintenant possible de simuler tous les processus physiques gouvernant ces interactions. Cependant, les résultats de ces modèles sont souvent peu satisfaisants. Plusieurs études suggèrent que l’utilisation des charges hydrauliques et des débits de la rivière n’est pas suffisante pour décrire et contraindre ces processus complexes. Une revue bibliographique de ces différentes études est présentée dans le chapitre 2. Afin de parvenir à un meilleur calage de ces modèles, l’utilisation d’autres types d’observations que l’on peut qualifier de non-conventionnelles doit être envisagée. Ces observations non-conventionnelles peuvent être par exemple les flux caractérisant les interactions ou la concentration de solutés. Le but principal de cette thèse de doctorat est de montrer que l’utilisation de ces observations non conventionnelles permet non seulement d’améliorer significativement le calage de ces modèles, mais également de réduire grandement les incertitudes de leurs projections.
Le chapitre 4 présente le développement d’une nouvelle méthode utilisant l’accroissement de cernes des arbres afin de quantifier l’historique de transpiration des arbres riverains. Les observations non-conventionnelles obtenues grâce à cette méthode ont ensuite été utilisées pour caler un modèle HydroGeoSphere couplant les écoulements souterrains et de surface ainsi que la transpiration des végétaux. Une analyse d’incertitude a permis de quantifier la réduction de l’incertitude induite par l’utilisation de ces observations non-conventionnelles.
Le chapitre 5 présente l’utilisation de traceurs naturels afin de caler un modèle d’écoulements souterrains et de surface. Cette étude fut réalisée dans le cadre d’un essai de traçage réalisé dans un champ de captage situé en Suisse. Après avoir évalué le temps de résidence de l’eau en utilisant les concentrations en argon-37, une analyse du mélange entre les eaux récemment infiltrées et les eaux plus vieilles a été réalisée en analysant les températures d’infiltration des gaz rares. Ces deux informations qui permettent de décrire les interactions entre la rivière et l’aquifère furent utilisées en plus des observations conventionnelles pour caler et contraindre le modèle de ce champ de captage. Les résultats obtenus montrent clairement une amélioration des capacités prédictives du modèle ainsi qu’une diminution de ses incertitudes.
Le chapitre 3 décrit une nouvelle méthode utilisant la méthode de Monte-Carlos afin d’identifier des zones non saturées entre le lit d’une rivière et d’un aquifère tous deux aux propriétés hétérogènes. Finalement, le chapitre6 présente une nouvelle approche de simulation utilisant HydroGeoSphere, le filtre de Kalman d'ensemble (EnKF) et du nuage informatique (cloud computing) afin d’augmenter les ressources de calcul qui généralement sont importantes dans le cadre de modélisations numériques complexes., The characterization and simulation of the interactions between surface water and groundwater require observations of hydrological state variables and flow processes. While the latest generation of physically-based flow models allows the integrated simulation of all relevant hydrological processes, the current modelling practice is not adequate to provide reliable predictions. Numerous studies suggest that the main reason for this limited predictive capability is that the complex nature of surface water - groundwater systems cannot be sufficiently described and constrained by only considering the ‘classical’ hydrogeological observations of surface water discharge and hydraulic head. An extensive literature review on this topic is provided in Chapter 2. To overcome the problem of inadequate surface water - groundwater flow model calibration, alternative, unconventional observations should be considered, for example observations of solute concentrations or exchange fluxes. With the appropriate modelling and calibration tools, unconventional observations can not only be successfully included in flow model calibration, but by choosing the right tools it is also possible to quantify the information content of unconventional observations towards reducing the predictive uncertainty of flow models. This was the focus of this thesis and is illustrated in multiple studies: In Chapter 4, a new method that uses tree ring growth records to infer the historic transpiration rates of riparian desert trees of the Tarim River was developed. These new and unconventional observations were successfully used for the calibration of an integrated surface water - groundwater - vegetation flow model built with HydroGeoSphere. A post-calibration uncertainty analysis allowed quantifying the high worth of these unconventional observations in reducing the predictive uncertainty of the flow model. In the study presented in Chapter 5, the established tracer methods using Radon-222 and Helium-Tritium were for the first time complemented by a novel tracer method based on Argon-37, which allowed closing a previously existing gap in residence times characterization. A multi-tracer study carried out on an important drinking water wellfield in Switzerland provided an ideal framework to test the new method alongside other tracer methods. Following the successful characterization of residence times of groundwater in the drinking water wellfield, a quantification of mixing of different types of groundwater, i.e. of recently infiltrated river water and of old groundwater, was achieved through noble gas end-member analysis. The information on mixing of different types of groundwater was subsequently used to inform the parametrization of an integrated surface water - groundwater flow model of the drinking water wellfield. It could be shown that the use of mixing information contains information about exchange fluxes and can successfully inform a flow model parametrization beyond the capabilities of classical observations of groundwater heads and surface water discharge.
One important aspect of surface water - groundwater interactions is the state of connection between the two water bodies. If unsaturated flow processes are expected in a given surface water - groundwater system, it is important that the numerical model which is used to simulate these systems is capable of simulating unsaturated flow. The study in Chapter 3 is dedicated to the development of a Monte-Carlo-based method which allows the rapid quantification of the potential for unsaturated flow processes underneath heterogeneous riverbeds overlying heterogeneous aquifers. This in turn allows a preliminary assessment of the conceptual model of a give surface water-groundwater system.
And finally, as the integrated simulation of surface water - groundwater interactions requires a lot of computational resources, especially when unsaturated flow processes dominate, a modelling framework using HydroGeoSphere, Ensemble Kalman Filter and cloud resources was developed in order to leverage typically limited computational resources. This framework is presented in Chapter 6. - PublicationAccès libreRecharge quantification and continental freshwater lens dynamics in arid regions: application to the Merti aquifer (eastern Kenya)(2015)
; ; Avec une population de près de 400'000 personnes, le camp de réfugiés de Dadaab est le plus grand au monde. Il est situé dans la région semi-aride de l’est du Kenya, proche de la frontière somalienne. L’unique ressource permanente en eau potable pour les réfugiés et les communautés locales provient de l’aquifère de Merti, qui consiste en une large lentille d’eau douce souterraine de 250 km sur 50 km, et qui est entourée par de l’eau salée. L’augmentation des volumes pompés, des signes d’augmentation de la salinité de l’eau et l’incertitude sur la diminution du niveau de l’eau souterraine ont fait prendre conscience du risque d’épuisement de la ressource. Ces observations ont abouti à la nécessité de mieux caractériser la recharge de l’aquifère ainsi que la dynamique entre la lentille d’eau douce et l’eau salée environnante.
Dans un premier temps, une nouvelle méthodologie a été développée pour quantifier la recharge concentrée à travers un modèle numérique, basé sur la physique des écoulements, couplant l’eau souterraine et l’eau de surface. Ce modèle a eu pour but de reproduire les surfaces inondées durant les crues et a été calibré à l’aide d’images satellites. Deuxièmement, la dynamique de la lentille d’eau douce a été investiguée par une série de modèles numériques synthétiques. Ces modèles ont permis d’analyser les effets des taux de recharge et leurs mécanismes (pluie, recharge concentrée) sur la géométrie de la lentille et de comparer ces géométries simulées avec la géométrie réelle de la lentille de l’aquifère de Merti. Ces deux approches ont été contre-validées à l’aide d’un réseau de monitoring de l’eau souterraine composé de vingt stations de mesures à haute résolution temporelle (15 min), installé sur toute la lentille en septembre 2013. Finalement, les résultats de ces trois axes de recherche ont été combinés dans un modèle numérique régional.
L’approche développée dans cette étude a permis de quantifier une recharge concentrée entre 195 et 329 x 106 m3/a. La recharge diffuse sur la lentille d’eau douce est quant à elle estimée entre 12 et 62 x 106 m3/a. Comparée à ces taux de recharge, l’extraction courante de l’eau souterraine (environ 4.8 x 106 m3/a) est considérée comme durable à l’échelle de l’aquifère. Cependant, la recharge totale est environ 50 à 100 fois plus grande que l’inféroflux traversant le niveau exploité, calculé à l’aide du gradient hydraulique de l’aquifère et des valeurs de transmissivité issues des essais de pompage. Cet écart a mené à postuler la présence d’un aquifère multi-couche considérablement plus épais qu’uniquement l’horizon couramment exploité, mais avec une importante incertitude sur son épaisseur et sur le gradient vertical de salinité entre la lentille d’eau douce et l’eau salée sous-jacente.
Les modèles numériques ont révélé la très grande inertie de l’aquifère et ont également confirmé que la recharge a principalement lieu de manière concentrée lors des évènements de crue, juste en amont de la lentille d’eau douce. La grande inertie de l’aquifère est cohérente avec les faibles variations des niveaux d’eau et de la conductivité électrique (salinité) observées avec le réseau de monitoring.
En conclusion, ce travail ouvre de nouvelles perspectives pour la quantification de la recharge en milieu aride à semi-aride lors d’évènements de crue. Il a également permis de mettre en avant la nécessité de poursuivre le monitoring de l’aquifère et de mener de nouvelles investigations sur l’épaisseur de l’aquifère afin de confirmer les résultats de la recharge., The Dadaab refugee camp, the largest refugee camp in the world with a population of approximately 400’000 persons, is located in the arid to semi-arid eastern Kenya, close to the Somali border. The only permanent water resource for the refugees and the host communities comes from the Merti aquifer which consists in a large continental freshwater lens of 250 km by 50 km surrounded by salty water. The increasing groundwater abstractions as well as signs of increasing salinity and uncertainty on the water level depletion led to the necessity to better characterise the aquifer recharge and the dynamics between the freshwater lens and the surrounding salty water.
Firstly, a new methodology was developed for quantifying the concentrated groundwater recharge through a physically-based coupled surface/groundwater numerical model reproducing inundated surfaces during flood events which is calibrated with inundated surfaces derived from satellite images. Secondly, the dynamics of freshwater lenses are investigated with a series of synthetic numerical models. These models aim to analyse the effect of the recharge rates and mechanisms (rainfall, concentrated recharge) on the freshwater lens geometries and to compare these geometries with the observed geometry of the freshwater lens of the Merti aquifer. These two approaches are cross-validated owing to a groundwater monitoring network of twenty high time-resolution devices installed over the whole freshwater lens in September 2013. Finally, results from these three axes are combined in a regional numerical model.
The approaches developed in this study allowed to quantify a concentrated groundwater recharge to be between 195 and 329 x 106 m3/y. Diffuse recharge contributing to the freshwater lens is estimated to be between 12 and 62 x 106 m3/y. Compared to these recharge rates, the current groundwater extraction (about 4.8 x 106 m3/y), is considered as sustainable on the regional scale. However, this recharge is about 50 to 100 higher than the axial flow estimated with the gradient and the transmissivities obtained with pumping tests. This discrepancy led to postulate the presence of a multi-layer aquifer much thicker than the currently exploited horizon but with uncertainties on its thickness and the vertical salinity gradient.
The synthetic numerical model revealed a very high inertia of the Merti aquifer and confirmed that the recharge of the aquifer is mainly controlled by concentrated recharge on flood plains in the upstream area of the freshwater lens. The high inertia of the aquifer is consistent with the very small groundwater level and electrical conductivity variations observed with the monitoring network.
As conclusion, this work opens new perspectives for the quantification of groundwater recharge in arid to semi-arid areas occurring during large scale flood events. However, it also showed the necessity to continue the monitoring of the aquifer and to carry out further investigations on the aquifer thickness if further exploitations are foreseen. - PublicationAccès libreEstimation et cartographie de la vulnérabilité des aquifères en milieu forestier(2014)
; L’étude de la vulnérabilité des aquifères est un outil précieux pour les protéger contre les pollutions. Ainsi préservés, ces derniers peuvent être exploités pour l’approvisionnement en eau potable, sans devoir subir de traitement. C’est pourquoi de nombreuses méthodes de cartographie de la vulnérabilité des eaux souterraines ont été développées, comme EPIK et DRASTIC. Toutefois, ces méthodes ne considèrent pas les aspects spécifiques à l’écosystème forestier. Il s’agit là d’une lacune majeure dans l’optique d’une gestion durable des ressources en eau, car une grande partie de l’eau potable est issue de captages forestiers.
Cette thèse propose de combler cette lacune en développant deux approches innovantes : ForSIG et ForDISK pour caractériser la vulnérabilité des aquifères en milieu forestier. Il s’agit de méthodes semi-quantitatives à paramètres et indices superposables, qui prennent en compte les principaux critères environnementaux intervenant dans les mécanismes de rétention et de transfert des substances polluantes. De la superposition de ces critères est obtenu un degré de vulnérabilité pour chaque zone du bassin d’alimentation étudié. Les approches ForSIG et ForDISK proposent d’évaluer quatre critères qui n’étaient jusqu’alors que peu ou pas considérés. Parmi eux se retrouvent : l’épaisseur du sol sa perméabilité, le pourcentage de résineux et la répartition des âges dans les peuplements forestiers. Les études de cas de Thyez et des bois du Jorat menées durant cette recherche confirment l’importance de ces critères pour l’estimation de la vulnérabilité des aquifères en milieu forestier.
La méthode ForSIG permet la réalisation de cartes de vulnérabilité sur de grandes surfaces. Elle est testée sur la source de l’Eperon dans cette étude. Une comparaison avec les méthodes EPIK et DRASTIC prouve que la méthode ForSIG produit les cartes les plus réalistes quant à la vulnérabilité effective du terrain dans un contexte forestier. Toutefois, un essai de multi-traçages sur la source du Montant montre que l’addition d’un facteur de dilution de l’aquifère est primordial pour déterminer sa vulnérabilité, particulièrement pour les systèmes karstiques. L’introduction de ce facteur de dilution permet d’obtenir des cartes réalistes et fiables sur les terrains étudiés.
La méthode ForDISK permet quant à elle une appréciation simple et rapide de la sensibilité des zones boisées sur lesquelles des interventions sylvicoles sont envisagées. Elle a l’avantage de pouvoir être utilisée par les forestiers directement sur le terrain. Des recommandations relatives à l’exploitation forestière sont données pour éviter que des pollutions accidentelles ne se produisent sur les zones les plus vulnérables des bassins d’alimentation et ne contaminent la ressource en eau. Cette méthode est appliquée avec succès sur le site de Saint-Laurent dans la dernière partie de ce travail. Les résultats obtenus montrent qu’en plus de donner une bonne estimation de la vulnérabilité, la méthode ForDISK reste une méthode des plus utiles pour sensibiliser les forestiers aux problèmes de pollution des captages.
Les méthodes ForSIG et ForDISK s’appliquent toutes deux à l’évaluation de la vulnérabilité des aquifères à des pollutions accidentelles sur des bassins d’alimentation recouverts de 75 % de forêts au moins. Non testées sur des zones autres que tempérés et humides, une extension de leur application à d’autres contextes climatiques ou à d’autres types de pollution doit encore être mise à l’épreuve avant de pouvoir être recommandée. Malgré leurs imperfections, ces deux méthodes offrent un premier outil intéressant pour assurer de manière contrôlée la protection des ressources en eau dans les bassins d’alimentation forestiers., Groundwater vulnerability assessment is a valuable tool to protect groundwater resources against pollution. Through an active protection of vulnerable aquifers, uninterrupted drinking water supply without expensive treatment can be ensured. Many methods for groundwater vulnerability mapping exist, such as EPIK and DRASTIC. However, these are general methods that do not take into account a range of characteristics that are specific to forested catchments. This is a major impediment for sustainable water resources management, because a large part of drinking water originates from forested catchments.
The present research aims to close this methodological gap by developing two new approaches (ForSIG and ForDISK) that allow assessing the vulnerability of groundwater resources in forested catchments. They are semi-quantitative methods, based on a Parametric System Model. This implies a parametric rating and weighting of sensitivity criteria that are controlling the retention of pollutants. Vulnerability degrees are attributed to sub-areas of the catchment, according to the superposition of the sensitivity criteria. As opposed to existing vulnerability approaches, the ForSIG and ForDISK methods consider soil thickness and permeability, as well as forest structure and composition. Based on extensive field research at two sites (Thyez and Jorat), the importance of these parameters has been elaborated and considered in the methodology developed.
The ForSIG method has been developed to map groundwater vulnerability for regional scales. It has been applied to the Eperon spring. A comparison with the existing EPIK and DRASTIC approaches revealed that the ForSIG method produces maps that better reflect the vulnerability. However, extensive testing of the method using multiple tracers (at the Montant study site) clearly showed that additionally the dilution capacity of the aquifer plays a crucial role in the assessment of groundwater vulnerability, especially for karst systems. The introduction of the dilution factor allowed developing realistic and robust maps of vulnerability of the tested areas.
The ForDISK method, on the other hand, was developed to quickly assess the vulnerability of local scale forest plots. The main benefit of this approach is its field applicability for foresters: According to the identified vulnerability, recommendations on forest management can be obtained to avoid contamination due to forest work. The ForDISK methodology has been successfully tested on the Saint-Laurent study site. It provides a good and rapid estimation of the vulnerability on a small scale. Additionally, this approach is very useful to raise awareness among foresters on potential groundwater contamination due to forest harvesting.
The ForSIG and ForDISK methods can be applied only on catchments that are covered by at least 75% of forests. They were tested in humid temperate climate regions. Their applicability to other climatic contexts has to be assessed. Moreover, these methods only consider the intrinsic vulnerability of the aquifer with regard to accidental pollution, located at a single point of the catchment. Even though additional research on the applicability of these methods is required, they provide a first and important step towards the protection of groundwater resources in forested catchments. - PublicationAccès libreEvaluating the effect of climate change on groundwater resources: from local to catchment scale(2013)
; There is strong evidence that climate is changing and will affect the water resources. A major question arising from the evaluation of climate change (CC) impacts on groundwater resources is to what extent groundwater recharge will change. Given that for Switzerland, climate models predict more frequent hot and dry summers in the future while precipitation will tend to increase in winter, a special attention was given to possible changes in the seasonal distribution of recharge. However, to provide robust predictions, uncertainty has to be considered in all simulations. Three uncertainty sources can be distinguished: the latter can originate from climate models uncertainty, the unknown evolution of land use and society in general, and the hydrological models themselves. The role of these three types of uncertainty has received a major attention in this study. Three studies were carried out to evaluate the effect of CC on the hydrological system. Two of these studies were dedicated to the topic of groundwater recharge whereas the third was focused on the CC response of an aquifer system.
The first recharge related study deals with the question of how uncertainty due to climate models interacts with uncertainty associated with different hydrological models. Although different models were used to simulate groundwater recharge in numerous climate impact studies, it is not yet clear whether models of different complexity give similar recharge predictions for a given climate scenario. Therefore, five different commonly used approaches to simulate groundwater recharge were compared under CC.
In this analysis models with different complexity were applied over a time span of several years and predictive model bias occurs. Using CC data with more extreme weather conditions increases the resulting bias. The potential for model predictive error increases with the difference between the climatic forcing function used in the CC predictions and the climatic forcing function used in calibration period. The difference between the reference recharge and simulated recharge from physical based but homogenous model as well as semi-mechanistic model are smallest whereas the differences increase with the simple models. The differences are due to structural model deficits such as the limitation of reproducing preferential flow. Thus, results of CC impact studies using the soil water balance approach to estimate recharge need to be interpreted with caution, although the majority of CC impact assessment studies are using this approach. Comparison of both uncertainties, i.e. CC and model simplification, indicate that the highest uncertainty is related to CC, but a model simplification can also introduce a significant predictive error.
The second recharge related study explores how different crops and crop rotations influence CC effects on groundwater recharge. The predicted temperature increase will doubtlessly lead to an increase in evaporation and can be intensified by the presence of crops. To address this question, we relied on lysimeter data to ensure that the models represent previously measured crop specific effects on groundwater recharge appropriately before attempting to simulate future trends. In addition to effects of crop types, effects of soils types were considered. To study the effect of soil types on recharge was possible thanks to the presence of three Swiss dominant soil types in the lysimeter facility. This study attempts to explore the combined effect of CC and changes in land use on groundwater recharge. We address these questions by combining numerical modeling techniques with high quality lysimeter data. The simulated results of the 1D numerical model indicate that for most crops a decreasing trend occurs (between -5 to -60%) due to higher evapotranspiration rates. However, for catch crops (fast-growing crop that is grown between successive plantings of a main crop) such as Phacelia and Temporary grassland, an increasing recharge trend can also be observed (up to 15%). Using these catch crops in a crop sequence can buffer the decreasing trend in future recharge rates, but the buffer capacity depends strongly on the growing season.
It is very likely that crop parameters such as leaf area index (LAI) and root depth (RD) will change in future due to increasing water stress (reduced water content in the lysimeter). Therefore, an analysis of the sensitivity of LAI and RD on recharge was carried out. It was found that simulated recharge is inversely related to LAI and RD where recharge is more sensitive to a decrease in LAI than to RD. Therefore, recharge estimates based on literature LAI and RD values probably represent an upper boundary on recharge rate changes for the future. However, in all simulations a high predictive uncertainty in results is given due to the variability originating from general circulation model (GCM) and regional climate model (RCM) combinations and stochastic realisations of the future climatic conditions.
The final study explored how changes in groundwater recharge might influence groundwater levels for a small aquifer used for water supply. The soil-unsaturated zone-groundwater system was considered as a whole using the physically based model HydroGeoSphere (HGS). The model was based on a wide range of field data. The main objective of this part was to evaluate if seasonal shifts of groundwater recharge can lead to lower groundwater levels in late summer and a potential water shortage. Such effects are mainly expected for highly transmissive systems with a low storage capacity that are expected to react rapidly to seasonal variations in recharge. Therefore, a small aquifer consisting of highly permeable glacio-fluvial deposits and used for water supply for a small town was selected.
The physically based model HydroGeoSphere (HGS) was used to simulate changes in recharge rates and groundwater levels based on 10 GCM (Global Circulation Model) - RCM (Regional Climate Model) combinations for the A1B emission scenario. Future recharge rates were compared to rates observed during historical drought periods. The recharge drought frequency was quantified using a threshold approach. The flow simulations indicate that the strongest effect of CC on recharge occurs in autumn and not in summer, when the temperature changes are the highest. For the winter season, recharge rates increase for almost all climate model chains and periods. In summer and autumn, temporal water stress, which is defined as reduced drinking water supply, can occur but the intensity depends on the chosen climate model chain. The uncertainty which comes from the variability among different model chains is large although all climate model chains show the same trend in the recharge seasonality. An estimation of drought frequency for a “worst-case” scenario indicates an increase in frequency and intensity under predicted CC. For the water supply in Wohlenschwil, water shortage will most likely more frequently occur in summer and autumn whereas no water stress is predicted for all other seasons.
All studies demonstrated that the uncertainty surrounding projected recharge rates and groundwater levels are relatively large. Some model chains indicate decreasing recharge and groundwater levels until the end of century, while other show increasing trends. For instance for the Wohlenschwil aquifer a change in annual recharge between -16% and 12% was simulated, while the mean of all climate model chains indicate no changes. Therefore, it is quite difficult to state on the magnitude of the change with high confidence. However, not the mean is important, but rather the seasonality. Almost all climate model chains lead to a change in seasonality but with a different magnitude. In addition, the uncertainty linked to the interannual variability of the climate is highly uncertain and can lead to strongly different results and conclusions depending on analyzed equiprobable stochastic realisations. However, the main uncertainty is linked to GCM-RCM combinations. This uncertainty is followed by the uncertainty originated by natural variability of the climate and model simplification. The calibration of the hydrological model is a further uncertainty, but could be reduced by improving the model calibration, if needed.
Although uncertainty in all predictions makes it difficult to state on the magnitude of the change with high confidence, it becomes obviously that a proper consideration of possible effects of CC on groundwater are needed. Results indicate that groundwater is only slightly effected in northern Switzerland on an annual basis but temporal changes can lead to periods with low recharge rates and groundwater tables and therefore to limit water supply.